模擬和混合信號 IC 的進(jìn)步極大地促進(jìn)了工廠生產(chǎn)力、效率、質(zhì)量和安全性的空前組合。這些 IC 可實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能、越來越精確的測量、可靠的通信、更低的功耗和更高的安全級別。它們是工廠系統(tǒng)的核心，可快速處理大量基于傳感器的測量，精確控制材料處理、加工步驟、功率和溫度以及操作安全性。

當(dāng)計(jì)算資源集成到這些模擬和混合信號IC中時，工廠可以部署分布式智能模型。工廠數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以更輕松地與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)對接。這種集成工廠模型包括下面描述的許多技術(shù)和技術(shù)，使工廠信息在全球范圍內(nèi)實(shí)時提供給供應(yīng)鏈、銷售、物流和高級管理層。

分布式智能

集成工廠利用分布式智能，將計(jì)算資源和決策從控制室推向廣泛分散的流程機(jī)械。系統(tǒng)架構(gòu)的這種轉(zhuǎn)變幾乎實(shí)時地向管理人員提供數(shù)據(jù)。它消除了數(shù)據(jù)處理瓶頸。它允許管理層部署更多的測量和控制節(jié)點(diǎn)，并對更大的過程數(shù)據(jù)集采取行動。

分布式智能對工廠車間的好處實(shí)際上可以概括為一個概念：正常運(yùn)行時間。工廠將減少測量到控制的反饋延遲;體驗(yàn)更好的流程效率、吞吐量、在制品（在制品）狀態(tài)和機(jī)器利用率的報告;并降低維護(hù)成本。

然而，對公司的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工廠車間。集成工廠系統(tǒng)提供最新的工作流程數(shù)據(jù)，當(dāng)與供應(yīng)鏈智能相結(jié)合時，允許運(yùn)營優(yōu)化其調(diào)度和庫存管理。全球銷售和分銷管理可以根據(jù)精確和及時的工廠生產(chǎn)力數(shù)據(jù)采取行動。管理層可以更好地優(yōu)化生產(chǎn)線平衡和產(chǎn)能利用率。

這些諸多優(yōu)勢顯然依賴于復(fù)雜的軟件工具，以實(shí)現(xiàn)最高抽象級別的優(yōu)化操作。但是，如果沒有準(zhǔn)確、高效和強(qiáng)大的電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)基于傳感器的測量、控制功能和能源管理任務(wù)，軟件系統(tǒng)就無法提供這些結(jié)果。

集成 IC 增強(qiáng)傳感器測量

混合信號IC使信號調(diào)理和數(shù)字化功能更接近通常分布廣泛的測量點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)字化通過降低噪聲敏感性來提高控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。溫度測量是最常見的過程控制輸入之一。原料和其他原材料、烘箱和儲罐等加工環(huán)境以及驅(qū)動電機(jī)和成型機(jī)等機(jī)械的溫度都會影響制造質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。

溫度測量通道必須提供負(fù)載開路檢測，以便在溫度傳感器或其連接之一斷開時，系統(tǒng)可以強(qiáng)制進(jìn)入安全控制狀態(tài)。例如，MAX31855等信號調(diào)理器讀取熱電偶，進(jìn)而監(jiān)測加工爐的溫度。如果檢測到任何傳感器故障，信號調(diào)節(jié)器會在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中報告錯誤代碼，以便系統(tǒng)可以快速響應(yīng)并切斷烤箱電源，并向監(jiān)控級系統(tǒng)監(jiān)視器報告故障。

然而，存在一個挑戰(zhàn)。溫度傳感器，如熱電偶和電阻溫度器件（RTD），輸出電壓的變化量級僅為每攝氏度10微伏。因此，信號調(diào)理器必須準(zhǔn)確分辨與溫度測量值相對應(yīng)的小電壓。如果信號調(diào)理器正在測量RTD，它們還必須以低噪聲電流源的形式提供精確的激勵信號。RTD將激勵電流轉(zhuǎn)換為與其溫度成比例的電壓。激勵電流限制在相對較小的值，以防止傳感器因 I2R 耗散。

將傳感器激勵、信號調(diào)理、數(shù)字化儀、故障檢測和保護(hù)電路集成到單個單片器件中，極大地簡化了測量通道或通道集群的設(shè)計(jì)。MAX31855等混合信號IC基本上構(gòu)成單芯片測量子系統(tǒng)，提供從傳感器到數(shù)字控制器的指定參數(shù)性能;它們消除了 PCB 布局的復(fù)雜性，降低了對電噪聲源的敏感性，并顯著提高了功能密度（圖 1）?？傊?，模擬集成可提高系統(tǒng)性能和過程質(zhì)量。

圖1.完整的熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括冷端補(bǔ)償和故障檢測。

供您參考

在沒有單個IC滿足一組設(shè)計(jì)要求的情況下，經(jīng)過測試的參考設(shè)計(jì)可以加快選擇協(xié)同工作的組件的過程，以最好地滿足最終設(shè)備設(shè)計(jì)目標(biāo)，縮短上市時間并降低設(shè)計(jì)風(fēng)險。

參考設(shè)計(jì)包括原理圖、BOM（物料清單），并且在大多數(shù)情況下，可與樣品板、布局文件和支持軟件一起提供。除了信號處理和電流隔離之外，參考設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)電源管理功能。它們還可以集成板載微控制器，并提供軟件以支持順序處理和控制接口并保護(hù)應(yīng)用。參考設(shè)計(jì)非常有助于減少經(jīng)?；ㄙM(fèi)在調(diào)試原理圖或軟件錯誤上的時間，以及可能降低精密模擬性能的布局問題。

例如，集成的 Santa Fe 參考設(shè)計(jì)為電壓或電流環(huán)路輸入實(shí)現(xiàn)了四輸入模擬前端 （AFE）（圖 2）。該設(shè)計(jì)為電源和輸出數(shù)據(jù)提供電氣隔離。

您還可以組合參考設(shè)計(jì)。例如，蒙特雷電流/電壓輸出調(diào)理器子系統(tǒng)和圣達(dá)菲可以組成一個完整的環(huán)路供電溫度變送器和高精度的模擬前端/接收器。

圖2.華輝國際參考設(shè)計(jì)（頂部）實(shí)現(xiàn)了具有 16 位分辨率和板載電流隔離的四通道 AFE，如框圖（底部）所示。

駕駛安全

自動化系統(tǒng)輸出控制閥、執(zhí)行器、電磁閥、電機(jī)等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須確保這些機(jī)電設(shè)備即使在故障條件下也能安全運(yùn)行。考慮當(dāng)電源質(zhì)量事件迫使其微控制器重新啟動時，機(jī)械臂處于運(yùn)動狀態(tài)。系統(tǒng)不允許手臂在其控制回路中斷的情況下繼續(xù)運(yùn)動，因此驅(qū)動電路必須檢測故障并處于安全狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動器必須過渡到安全扭矩狀態(tài)。閥門必須根據(jù)情況關(guān)閉或打開。通常，所有執(zhí)行器都必須對生產(chǎn)線中的材料、生產(chǎn)設(shè)備以及最重要的是工廠車間的操作員保持安全的狀態(tài)。

專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的模擬和數(shù)字輸出器件在支持這些安全要求時簡化了控制器硬件設(shè)計(jì)。例如，像MAX5725這樣的多通道DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）具有集成的可編程看門狗定時器，當(dāng)DAC收到有效命令時復(fù)位。如果看門狗由于通信故障而超時，則看門狗處于活動狀態(tài)的通道將恢復(fù)到預(yù)定的可編程輸出電位。此功能可確保在主機(jī)處理器掛起或通信鏈路發(fā)生故障時，DAC 控制下的執(zhí)行器、閥門、伺服或其他硬件將處于安全狀態(tài)。

在翻譯中找到

許多工業(yè)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)是將來自傳感器和開關(guān)的24V二進(jìn)制信號轉(zhuǎn)換為消耗很少能量的低電平邏輯兼容電平。電平轉(zhuǎn)換和電氣隔離每個信號的系統(tǒng)成本可能很高。使用板載微控制器對輸入進(jìn)行串行化和隔離以進(jìn)行監(jiān)控，大大簡化了接口設(shè)計(jì)，但要求該過程能夠承受高輸入電壓。與傳統(tǒng)方法相比，這些設(shè)計(jì)還必須顯著降低功耗;如果要將設(shè)計(jì)縮小到單個節(jié)省空間的IC，則必須集成它們。

如今，像MAX31911這樣的工業(yè)、多通道、數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換器/串行器可將多個高壓輸入通道轉(zhuǎn)換、調(diào)理和串行化為可編程邏輯控制器（PLC）和相關(guān)設(shè)備中的微控制器的邏輯兼容信號。與分立電阻-pider方法相比，這些轉(zhuǎn)換器/串行器IC可將功耗降低60%。

許多應(yīng)用需要電流隔離，串行器可以將必要的隔離通道數(shù)量減少到三個。例如，新型MAX31913轉(zhuǎn)換器/串行器提供SPI菊花鏈，因此來自多個串行器的大量輸入可以共享相同的三個隔離信號。為了確保從并行到串行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)完整性，轉(zhuǎn)換器/串行器IC集成了循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）（圖3）。

圖3.MAX31913工業(yè)、八通道、數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換器/串行器允許來自傳感器和開關(guān)的24V信號直接與低電平CMOS邏輯接口。

到鐵軌...和超越

為工業(yè)電子產(chǎn)品供電已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越具有挑戰(zhàn)性的一部分。信號調(diào)理和數(shù)據(jù)處理模塊所需的電壓軌數(shù)量加劇了本已復(fù)雜的電氣環(huán)境;電源軌要求節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)集群與控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。再加上通過各種功率控制方法實(shí)現(xiàn)的日益復(fù)雜的節(jié)能方法，電源子系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性只會進(jìn)一步增加。

考慮到工業(yè)信號電平，需要更高的電壓軌（如±25V或更高）是相當(dāng)普遍的。這種高壓要求專門針對與外部工業(yè)世界接口的前端和后端電路。相比之下，服務(wù)于處理器和其他數(shù)字電子設(shè)備的其他電源軌在低得多的電壓下工作。

久經(jīng)考驗(yàn)的超越軌?MAX14778集成的技術(shù)通過將模擬和混合信號功能的信號范圍擴(kuò)展到正負(fù)電源電位之外，消除了其中一些較高電壓軌。因此，單單極性電源是許多功能的唯一要求，否則需要兩個甚至三個電源軌（圖 4）。

圖4.片內(nèi)電荷泵允許MAX14778實(shí)現(xiàn)多協(xié)議共享等功能，信號高達(dá)±25V，工作在3.0V至5.5V單電源。

低損耗配電

工業(yè)客戶和系統(tǒng)制造商越來越注意到在大型分布式系統(tǒng)中最大限度地減少能量損失的必要性。一個領(lǐng)域，我2直流配電饋電中的R損耗由MAX17503等高壓負(fù)載點(diǎn)DC-DC轉(zhuǎn)換器解決。這些轉(zhuǎn)換器直接在高達(dá) 60V 的輸入下工作，并在低電壓下為數(shù)字、模擬和混合信號負(fù)載提供單級轉(zhuǎn)換。

如今，24V通常用于PLC背板，12V用于板載配電。如果全板使用48V，與12V相比，這可以將電流降低16倍，相應(yīng)地，PCB銅損降低50倍。此外，通過移除中間DC-DC轉(zhuǎn)換級，這些高輸入電壓轉(zhuǎn)換器釋放了寶貴的電路板空間，并消除了間隙級的成本和能量損失。由于其同步開關(guān)架構(gòu)，它們可以減少銅損、降低連接器觸點(diǎn)電流額定值并提高可靠性，同時保持低溫運(yùn)行（通常溫度降低 <>%）。

確保工廠安全

采用分布式智能設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用常見的低成本通信硬件接口和數(shù)據(jù)傳輸方法，如以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。當(dāng)今的趨勢是從專有通信方案轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。物聯(lián)網(wǎng)承諾在工業(yè)現(xiàn)場和全球站點(diǎn)之間提供一種低成本的機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信方式。

然而，這些進(jìn)步使系統(tǒng)漏洞暴露在網(wǎng)絡(luò)攻擊之下。最有效的保護(hù)在每個節(jié)點(diǎn)和每個接口上都建立了基于硬件的安全性，從而在整個系統(tǒng)中嵌入了安全功能，以防止漏洞。這通常是廣泛分散、暴露的系統(tǒng)的整體解決方案的關(guān)鍵部分。通過這種方式，每個設(shè)備都具有內(nèi)置的安全性，每個通信接口都受到保護(hù)，并且它們與云之間的通信受到保護(hù)。

如今，有經(jīng)過驗(yàn)證的硬件級安全技術(shù)可以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊、惡意篡改、IP 盜竊以及使用未經(jīng)授權(quán)或克隆的設(shè)備。DS28E35深度蓋安全認(rèn)證器，?1例如， 為主控制器提供一種高度安全的方法，以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加密方法對外圍設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證。

總結(jié)

集成工廠和分布式智能。集成安全和物聯(lián)網(wǎng)。這是安全、成功、高效的工廠的未來。用于工業(yè)應(yīng)用的新型電子系統(tǒng)必須解決系統(tǒng)性能的四個關(guān)鍵方面：精確測量極低信號，同時控制非常高的功率水平;傳感器和系統(tǒng)之間的通信廣泛分布;低功耗、高密度和低延遲的控制系統(tǒng);以及最先進(jìn)的嵌入式安全性。本應(yīng)用筆記討論了業(yè)界領(lǐng)先的模擬和混合信號集成如何滿足這些嚴(yán)格的工業(yè)要求。它展示了模擬集成如何推動當(dāng)今的集成工廠并預(yù)測未來的需求。

審核編輯：郭婷